13.3. Медицинское стекло. Определение основных показателей качества

Медицинское стекло - твердый раствор, полученный в результате охлаждения расплавленной смеси силикатов, оксидов металлов и солей. Наибольшую термическую и химическую устойчивость имеет кварцевое стекло, получаемое из кварцевого песка, который состоит из 95-98% кремния диоксида. Из такого стекла изготовить и запаять ампулу очень трудно, так как оно имеет высокую температуру плавления (1550-1800°С). Поэтому в его состав для понижения температуры плавления добавляют различные модификаторы: натрия и калия оксиды. Их введение резко уменьшает химическую устойчивость и может привести к получению растворимого или жидкого стекла - натрия или калия силикатов Na₂Si0₃, К₂SiO₃. Бытовое стекло получают сплавлением кварцевого песка, известняка, натрия карбоната или сульфата, при этом его сложный состав можно представить в виде Na₂OCaO · 6SiO₂. Применение этого стекла из-за низкой термической и химической стойкости ограничено изготовлением оконных стекол, бутылок и т. д. Повышения химической устойчивости добиваются введением алюминия и бора оксидов. В этом случае образуется качественно новый состав - алюмоборо-силикатное стекло с образованием сложных труднодиссоциируемых комплексов,- Добавление в состав магния оксидов в значительной мере увеличивает термическую устойчивость. Регулирование содержания бора, алюминия и магния оксидов повышает ударную прочность и снижает хрупкость стекла.

Основным сырьем для получения стекла являются: кварцевый песок (кремния диоксид) – SiO₂, нефелин- KNa₃ [AlSiO₄]₄, магнезит (магния карбонат) - MgCO₃, доломит (кальция и магния карбонат) - Ca↔Mg(CO₃)₂. натрия тетраборат - (Na₂В₄O₇), кислота борная - Н₃ВО₃, известняк (кальция карбонат) – СаСО₃, поташ (калия карбонат) - К₂СО₃, сода кальцинированная (натрия карбонат) - Nа₂СО₃, натрия сульфат - Na₂SO₄.

Изменяя состав компонентов и их концентрацию, можно получить стекло с заданными свойствами.

К стеклу для ампул предъявляются следующие требования: прозрачность - для визуального н оптического контроля на отсутствие механических включений; бесцветность - позволяет обнаруживать, кроме механических включений, изменение цвета раствора; легкоплавкость - необходима для запайки ампул (наполненных раствором) при сравнительно невысокой температуре во избежание его нагревания; термическая устойчивость - способность стекла не разрушаться при резких колебаниях температуры, например, выдерживать тепловую стерилизацию; химическая устойчивость, гарантирующая сохранность лекарственного вещества и других компонентов препарата; механическая прочность - для выдерживания нагрузок при обработке ампул в процессе производства, транспортировке и хранении. Последнее требование должно сочетаться с необходимой хрупкостью для легкого вскрытия капилляра ампул.

В таблице 13.2 приводится состав марок медицинского стекла разного назначения. НС-3 - нейтральное стекло для изготовления ампул и флаконов для растворов веществ, подвергающихся гидролизу, окислению и т.д. (например, растворы солей алкалоидов). НС-1 - нейтральное стекло для ампулирования менее чувствительных к щелочам лекарственных веществ (растворы натрия хлорида, магнезии сульфата, кальция хлорида и др.). СНС-1 - светозащитное нейтральное стекло для изготовления ампул с растворами светочувствительных веществ. АБ-1-щелочное (ампульное безборное) стекло для ампул и флаконов, содержащих устойчивые в масляных растворах вещества, так как в этом случае выщелачивание практически не происходит. ХТ-1 - химически и термически стойкое стекло для изготовления шприцев, бутылок для хранения крови, трансфузионных и инфузионных препаратов. iHTO - медицинское тарное обесцвеченное стекло для изготовления флаконов, банок и предметов ухода за больными. ОС, ОС-1 -оранжевое тарное - для изготовления флаконов и банок. НС-2, НС-2А - нейтральное - для изготовления флаконов для крови, трансфузионных и инфузионных препаратов и аэрозольных баллонов.

Таблица 13.2. Марки и состав медицинского сиекла

Марки стекла	Состав стекла. % от массы
	SiO2 ±0,50	Al2O3 ±0,20	B2O3 ±0,25	СаО± +MgO ±0,30	Na2O ±0,25	K2О ±0,20	Fe2O3 ±0,30	MnO2, ±0,50	BaO ±0,20
НС-3 НС-1 СНС-1 НС-2,НС-2A АБ-1 XT XT-1 МТО ОС ОС-1	72,80 73,00 67,00 73,00 73,00 74,00 72,00 73,00 73,50 73,00	4,50 4,50 4,10 3,5 3,0 5,0 6,0 1,50 1,50 1,30	6,00 4,00 5,20 2,50 - 8,00 10,50 - - -	6,90 8,00 6,30 8,00 9,50 1,20 0,80 10,00 9,50 10,00	8,10 8,50 7,50 11,00 13,50 5,00 6,70 15,50 15,50 15,70	1,70 2,00 2,00 2,00 1.00 2,80 1,80 - - -	- - 2,90 - - - - - - -	- - 5,0 - - - - - - -	- - - - - 4,00 2,20 - - -

На поверхности стекла при контакте с растворами в ампулах и флаконах во время хранения и особенно при тепловой стерилизации в зависимости от его марки и значения рН раствора может происходить выщелачивание или растворение. При растворении в раствор переходят компоненты стекла в тех же соотношениях, что и в стекле. Выщелачивание - это преимущественно выход из стекла оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, в результате чего на поверхности стекла образуется защитная кремнеземная пленка, которая препятствует продолжению процесса.

В нейтральных и кислотных растворах при взаимодействии с водой и кислотами щелочные ионы натрия и калия переходят в раствор, вызывая некоторые изменения в величине рН, а на поверхности стекла образуется защитная пленка кислоты кремниевой. По мере взаимодействия толщина пленки увеличивается за счет малой степени диссоциации и слабой реакционной способности этой кислоты, диффузия затрудняется и процесс резко замедляется.

В растворах, имеющих значение рН 3,0, реакция среды почти не изменяется, так как щелочность нейтрализуется дополнительной диссоциацией кислоты.

Растворы, имеющие значение рН 5,0, дают наибольший его сдвиг в ампулах из стекла НС-1: после стерилизации оно увеличивается на 1,2, а при хранении в течение 1 года на 1,65. Это связано с высокой степенью диссоциации кислот при величине рН 5,0.

В щелочных растворах происходит растворение щелочных и кислотных компонентов стекла. Разрывается связь Si - О - Si с образованием натрия и калия силикатов, при этом растворяется поверхностный слой на большую глубину. На поверхности образуется слой плохо растворимых магния и кальция силикатов, но концентрация этих соединений недостаточна для формирования сплошной и прочной пленки. Поэтому она при хранении в ампулах из стекла с недостаточной химической устойчивостью отслаивается, образуя механические включения, что недопустимо в инъекционных растворах. В ампулах из стекла НС-1 растворы, имеющие значение рН 9,0, после стерилизации изменяют его на +1,75, а после годичного хранения - на +0,5 от исходной величины.

Таблица 13.3. Удельная поверхность контакта стекла в зависимости от вместимости ампул

Номинальная вместимость ампулы, мл	Общая внутренняя поверхность в ампуле, см2	Удельная поверхность контакта, см2/мл
1	10,6	10,6
15	48,0	3,20
50	80,5	1,60

Важно учитывать удельную поверхность контакта раствора со стеклом.

В таблице 13.3 приведены данные об удельной поверхности контакта стекла в зависимости от вместимости ампул.

Как видно из данных, представленных в табл. 13.3, удельная поверхность контакта раствора со стеклом в мелкоемких ампулах значительно больше. Поэтому их химическая стойкость должна быть более высокой.

Таким образом, сохранность ампулированных растворов зависит от марки стекла, исходного значения рН раствора, времени его контакта со стеклом, температуры, при которой производится стерилизация и хранение, и от вместимости ампул, т. е. удельной поверхности контакта раствора со стеклом.

Определение основных показателей качества. Щелочестойкость. Метод основан на воздействии на образцы стекла площадью 0,10-0,15 дм² смеси равных объемов 0,5 М раствора натрия карбоната и 0,1 М раствора натрия гидроксида при кипении в течение 3 ч. Перед испытанием и после воздействия щелочных соединений образцы тщательно моют, высушивают при температуре 140°С до постоянной массы и взвешивают.

Щелочность стекла X (мг/дм²) рассчитывают по формуле:

X = (m – m₁) / S,

где m - масса образца до обработки, мг; m₁ - масса образца после воздействия щелочей, мг; S - площадь поверхности образца, дм².

Проводят три испытания и по среднеарифметическому значению определяют класс щелочности.

Класс щелочности	Среднеарифметическое значение щелочности, мг/дм2
1	До 75
2	Свыше 75 до 175
3	Свыше 175

Водостойкость. Подготавливают 3 пробы из 300 г измельченного до 0,315 мм стекла с массой по 11,0 г, обезжиривают этанолом и ацетоном, сушат при температуре 140°С. Три точные навески по 10,0 г помещают в конические колбы вместимостью 250 мл с 50 мл свежепрокипяченной воды дистиллированной с доведенным рН до исходного (5,5). В две контрольные колбы наливают только свежепрокипяченную воду дистиллированную. Колбы закрывают и автоклавируют 30 мин при температуре 121°С (0,10-0,11 мПа). Затем их охлаждают, добавляют по 2 капли метилового красного и титруют 0,02 моль/дм³ раствором кислоты хлороводородной до перехода окраски раствора от желтого цвета до оранжевого.

Водостойкость стекла X (мл/г) при температуре 121°С вычисляют по формуле:

X = (V₁ – V₂) / m,

где V₁ - объем раствора кислоты хлороводородной, израсходованный на титрование испытуемого раствора, мл; V₂ - средний объем раствора кислоты хлороводородной, израсходованной на титрование каждого из двух контрольных опытов, мл; m - масса стекла, г.

Проводят три испытания и по среднеарифметическому определяют класс водостойкости.

Класс водостойкости	Расход 0.02 ч раствора кислйты хлороводородной при титровании, мл/г
1	До 0,10
2	От 0,10 до 0,85
3	От 0,85 до 1,50

Примечание. 1 мл 0,02 М раствора кислоты хлороводородной эквивалентен 0,62 мг натрия оксида.

Термическая устойчивость. Ампулы в количестве 50 шт. выдерживают при температуре 18°С 30 мин, помещают в кассеты в сушильный шкаф не менее чем на 15 мин при температуре, указанной в ГОСТ. Кассеты выгружают из шкафа быстро за 5 с, погружают в воду с температурой 20 ± 1°С ниже уровня ее поверхности и выдерживают не менее 1 мин. Термостойкими должны быть не менее 98% ампул от взятых на проверку. Ампулы из стекла НС-3 должны оставаться целыми и выдерживать перепад температур, равный 160°С, НС-1 - 130°С, СНС-1 - 150°С и АБ-1 - 110°С. Если результаты не удовлетворительны, то испытание проводят на удвоенном количестве ампул той же партии (т. е. берут 100 штук) и повторный результат считается окончательным.

Химическая стойкость ампул. Для испытания берут разное количество ампул в зависимости от их вместимости: 0,3 мл -150, от 1 до 5 мл - 50, от 5 до 20 мл - 20 и свыше 20 мл - 10 штук. У отобранных ампул проверяют качество отжига, вскрывают капилляры, промывают 2 раза водой дистиллированной, нагретой до температуры 65 ± 5°С, дважды ополаскивают и заполняют водой дистиллированной, имеющей значение рН 6,0 ± 0,2, до номинальной вместимости. Значение рН воды при необходимости доводят до нормы 0,01 н. раствором кислоты хлороводородной или 0,01 н. раствором натрия гидроксида, ампулы запаивают и стерилизуют паром под давлением в строго регламентированном режиме нагрева при 0,10- 0,11 мПа (121 ± 1°С) в течение 30 мин. За 10 мин снижают давление до атмосферного, охлаждают ампулы до температуры 20 ± 5°С не более чем за 60 мин. Проверяют герметичность. Вскрывают капилляры и берут для одного определения на рН-метре 15 мл. Параллельно проводят не менее 3 определений для ампул до 6 мл и 5 измерений для ампул вместимостью от 10 до 50 мл.

До стерилизации паром под давлением измеряют 5-6 раз значения рН исходной воды. Установлены нормы изменения значения рН для ампул: из стекла НС-3 на 0,9; СНС-1 - 1,2; НС-1 - 1,3; АБ-1 на 4,5.

Остаточные напряжения. Они образуются при изготовлении ампул за счет неравномерного нагрева разных участков дрота. Капилляр и донышко ампул нагреваются до расплавления стекла, корпус - незначительно. В местах резкого контраста температур образуются напряжения. Кроме этого, наружная поверхность сильно нагреваемых участков стенки ампулы значительно быстрее охлаждается за счет контакта с окружающим воздухом и быстро затвердевает, а внутренние слои стекла охлаждаются медленнее и дольше находятся в расплавленном состоянии, что также вызывает образование внутренних напряжений. Остаточные напряжения определяют с помощью поля-ризационно-оптического метода по разности хода лучей в образце, связанной с наличием остаточных напряжений, на полярископе-поляриметре ПКС-125, ПКС-250 и на полярископе ПКС-500.

Разность хода лучей Δ (нм) вычисляют по формуле:

Δ = (λ · φ) / 180 = 3φ

где λ - при зеленом светофильтре (540 нм); φ - угол поворота лимба анализатора, град.

Разность хода, отнесенную к 1 см пути луча в стекле, Δ¹ млн^-1, вычисляют по формуле:

Δ¹ = Δ / l

где l - длина пути луча в напряженном стекле, см.

Не допускается остаточное напряжение, содержащее удельную разность хода Δ¹ более 8 млн^-1.

Светозащитные свойства. Эти свойства испытывают с помощью метода светопропускания в области спектра от 290 до 450 нм с интервалом 20 нм. Из цилиндрической части ампулы вырезают образец, ПрОтирают его и помещают параллельно щели спектрофотометра СФД-2. Максимальный процент светопро-пускания должен составлять 35 при толщине стенки от 0,4 до 0,5 мм; 30% - от 0,5 до 0,6 мм; 27% - от 0,6 до 0,7 мм; 25% - от 0,7 до 0,8 мм и 20% - от 0,8 до 0,9 мм. Допустимые пределы показывают, что для полной светозащиты ампулы необходимо укладывать в картонные упаковки, лучше черного или красного цвета.